中研院19天破解新冠肺炎抗原檢測,解密四大生技平台!

  • 採訪編輯|歐宇甜、黃曉君;美術編輯|林洵安

中研院新冠肺炎快篩試劑與治療性抗體研發

(文章更新:2020 / 06 / 03)新冠肺炎疫情大爆發,各國盡力研發速度更快、更方便的快篩試劑。中研院團隊在短短十九天內找到可檢測病毒抗原的抗體,可應用作為快篩試劑。不過,快篩和傳統核酸檢測有什麼差異呢?為什麼能在十九天達到任務,背後有哪些生技平台的貢獻?你知道抗體不只用於快篩,還可用來開發治療藥物嗎?中研院國家生技研究園區生醫轉譯研究中心代理主任吳漢忠,為民眾一一解惑。

中研院國家生技研究園區生醫轉譯研究中心代理主任吳漢忠,為中研院 COVID-19 任務編組中,抗原檢測和治療性抗體召集人。
攝影│林洵安

核酸檢測較耗時,但準確率最高

病毒診斷試劑有好幾種,目前普遍採用核酸檢測法。採集個案的呼吸道 (痰、咽喉擦拭液等)、血液和糞便的樣本,透過 RT-PCR(反轉錄聚合酶連鎖反應)大量複製病毒 RNA 片段,「放大」病毒訊號,再檢測是否存在病毒,精準度達九成以上 。缺點是耗時久,含檢體的採集、處理到最後上機分析得到結果,平均約需四小時,由於需要特殊儀器檢測分析,且檢體可能帶有病毒,因此檢體必須依照疾病管制署及 WHO 的規範,在 Biosafety Level 2 (BSL-2) 實驗室由專業人員處理,並非每間醫院診所都可進行,檢驗能量相當有限。

中研院廖俊智院長則在新冠肺炎疫情發生之初,即快速整合國內學研單位,形成「COVID-19 合作平台」,專攻可加速檢測速度,但迫切需要研發技術的抗原和血清抗體兩大快篩檢測。

抗原檢測較快速,適合大規模篩檢

一般診所常見流感等快篩試劑,只要取口鼻分泌物,即可在十五分鐘內確認是否感染,就是一種抗原檢測。原理是:利用每種抗體只會與對應的抗原結合(如鎖與鑰匙的對應) ,只要抗原(鎖) 存在於檢體中,即使量少,抗體 (鑰匙)也能立刻結合、確認病毒存在。因此,新冠病毒快篩研發的關鍵,在於找出可與病毒抗原結合的專一抗體。

日前中研院楊安綏研究團隊的重大突破,即針對新型冠狀病毒之核衣殼(nucleocapsid)蛋白,找到具有專一辨識性的單株抗體,只會對新冠病毒有反應,不會與 SARS、MERS 或其他導致一般感冒的冠狀病毒「核衣殼蛋白」產生交叉反應。

資料來源│吳漢忠
圖說設計│黃曉君、林洵安

雖然快篩試劑只要花十五分鐘即可診斷,但它不像核酸檢測是複製大量病毒 RNA、可將訊號放大。在感染初期,可能因病毒量太少出現偽陰性。目前的流感快篩約十分鐘完成,但靈敏度約 50 – 70 % ,專一性約 90 – 95 %。不過,由於抗原快篩試劑具方便性、經濟、快速等優點,比較適合進行普篩,尤其是在醫療資源較不足的國家。

目前中研院已經將抗體檢測試劑相關研發成果交付給九家廠商,廠商正與衛福部食藥署溝通,進行後續認證,力拚三個月內上市。

血清抗體檢測,找出感染時間先後

第三種檢測稱為血清抗體檢測,是以合成的病毒抗原檢測血液中是否具有抗體。在染病後,病人體內才會出現抗體,所以這是感染中、後期才能進行的檢測方式。此法可判斷患者是否曾感染,以及依照產生抗體的種類判斷已感染多久,日前磐石艦案即用此法確認官兵感染的時間先後。

血清抗體檢測試劑原理與抗原檢測類似,只是偵測的是血液中的 IgM 與 IgG 抗體。 IgM 抗體,是人體免疫系統初次遭遇病毒抗原時,最早出現反應的抗體,大約在感染後 1-2 周出現,而且濃度會隨著清除病毒的作用遞減。然後,人體會產生第二種抗體:IgG。IgG 比 IgM 抗體更強、親和力更高、更具保護性,並可能在體內停留數月之久。

因此在抗體檢測試劑上,如果只顯示 IgM 抗體陽性,表示感染者在感染初期;只有 IgG 抗體陽性,表示在感染的後期或是恢復期;如果同時出現 IgM 與 IgG 抗體陽性,表示在感染中期或稱為感染活躍時期,目前中研院已與慈濟大學完成血清雙抗體檢測開發。

血清抗體檢測與抗原檢測的原理相似,也是用膠體金顯色,只是捕捉的不是抗原,而是抗體。測試線有兩條,分別捕捉血液中的 IgM 與 IgG 抗體,用來推測感染時間先後。
資料來源│慈濟大學
圖片重製│黃曉君、林洵安

血清抗體檢測優勢為:檢體為血液,比病毒核酸 RNA 更為穩定;抗體在血液中分佈均勻,不會有採樣點的差異;抗體可持續於血中存留數週或數月之久。不過,因為 IgM 抗體可能在感染後的一~二周才出現,期間可能出現空窗期,產生偽陰性,仍必須比對核酸檢測確認結果。但如同抗原試劑,在醫療資源不足之地區,血清檢測可及時應付當地防疫檢測所需;另外,在追溯不明感染源或是無症狀感染者,可作為核酸檢測互補之工具。

「所有檢測都有優、缺點,兩種快篩好處是病人不用等太久 ,操作簡易的優勢,使得快篩的便利性及時效性極高,儘管靈敏度沒有核酸檢測高,但緊急狀態下,做為第一層篩選,能夠加速疫情的控制。」吳漢忠解釋。

抗體既能檢測,也能治療新冠肺炎

抗體除了用來製作檢測試劑,也能治療新冠肺炎。事實上,自從第一個治療性抗體 rituximab 於 1997 年上市,至今已有八十五個抗體藥物上市,是當今新藥發展的重要方向,臺灣更是全世界少數具有能力開發抗體藥物的國家。

但不是所有的抗體都能化身為治療藥物。以新冠病毒的抗體為例,新冠病毒是靠著表面皇冠狀的棘蛋白(spike protein)與呼吸道細胞的 ACE2 受體結合,如果某株抗體與棘蛋白結合後,可抑制病毒抗原與 ACE2 受體結合,以及阻擋病毒侵入細胞,表示具有中和能力,才有機會成為治療性抗體。

但,上哪找治療性抗體?某些傳染病災難片,主角取出痊癒病患身上的血清,打到另一名患者身上,病人就神奇的痊癒了……「這次中國在新冠肺炎患者、臺灣過去在 SARS 病人身上均嘗試過取出恢復期病人血液,純化出抗體,打到重症患者身上,大幅改善症狀。不過風險很高,因為病患身上可能帶有其他病毒。最好還是研發安全有效的治療性抗體。」吳漢忠說:

中研院研究團隊已研發出十二株單株抗體,可阻斷病毒抗原結合至 ACE2 受體,並且在 P3 實驗室證實可有效抑制新冠病毒感染細胞,有機會發展成治療性抗體。

這些珍貴的單株抗體,來自中研院國家生技研究園區生醫轉譯研究中心之四大抗體技術平台,包括:噬菌體顯現法平台、高通量合成抗體工程技術平台、單一 B 細胞抗體平台以及小鼠融合瘤/抗體工程技術平台。面對此次新冠肺炎全球大流行的嚴峻挑戰,楊安綏研究團隊能夠在十九天內找出快篩試劑的關鍵單株抗體,吳漢忠研究團隊亦研發出十二株單株抗體,有機會發展成治療性抗體,這些平台功不可沒。吳漢忠強調:「此次能夠快速完成這些研究,都是長期團隊養成,加上廖院長整合『COVID-19 合作平台』,並有三次練兵的經驗,以及各實驗室協力合作的成果。」

四大平台開發診斷與治療性抗體

人類天然抗體庫平台

吳漢忠團隊從人體的骨髓、周邊血球或脾臟的 B 細胞等取得人類抗體,將抗體的部分基因(表現與抗原結合區域)插入噬菌體的基因組,再讓噬菌體去感染細菌並大量複製。複製完成的噬菌體,它們的 pIII 蛋白上就會出現人類抗體的片段,而且每個片段只能對應特定抗原。中研院以噬菌體顯現法建構的人類天然 (naïve)抗體庫,總容量已達到六百億株的有效人類抗體。

如何從茫茫的抗體大海,篩選出所需的正確抗體呢?研究員讓大量噬菌體 pIII 蛋白上的抗體片段與預訂抗原(如冠狀病毒的抗原)結合,經過三至五輪淘選,挑出最具有結合力之噬菌體。最後由 DNA 定序,確認抗體的基因序列,即可得到正確的抗體。

資料來源│諾貝爾獎官網噬菌體顯示法解說網頁
圖說重製│林洵安

噬菌體顯現法平台的優點是可大規模快速篩選,而且抗體都取自人體,臨床上可減少排斥性問題。目前中研院的研發成果已獲得超過二十項國內外專利,研發產品包括:區別四型登革熱的檢驗試劑、癌症相關的治療性抗體等等。面對此次新冠肺炎全球大流行的嚴峻挑戰,研究團隊亦運用此抗體庫在十八天內快速完成篩選,並製造十二株有機會成為藥物的人類抗體。

高通量合成抗體庫技術平台

抗原與抗體接觸與結合的部位,稱為互補性決定區(Complementarity determining region,CDR),如果抗體與抗原的親和力不佳,可運用基因工程使抗體 CDR 區域突變修正,稱為合成抗體。中研院楊安綏團隊已完成一百個合成抗體庫(Synthetic library ),每個抗體庫至少有十億種有效抗體變種。此次他即是運用數十年來累積成果和技術,日以繼夜進行抗體合成及篩選,將原本需要兩個月的研究,縮短在十九天內達標!

圖片提供│中研院秘書處

單一 B 細胞抗體平台

從病患或疫苗接種者的血液樣品中,選出能辨識抗原的記憶型 B 細胞,再用 RT-PCR 技術取得抗體的基因序列,以克隆 (cloning) 技術和抗體工程製備後,篩選出單株抗體,所需時間較短,可快速應付傳染性疾病爆發。中研院林國儀研究團隊用此法成功從老鼠體中取得可與多種流感病毒結合的單株抗體。

小鼠融合瘤/抗體工程技術平台

把抗原打入小鼠體內、誘發免疫反應並產生抗體,然後取出小鼠脾細胞和骨髓癌細胞融合,透過融合瘤細胞可不斷增生的特性來獲得單株抗體,若得到具有中和能力的單株抗體,可進一步運用抗體工程技術改造成人類化的治療性抗體。目前中研院研究團隊在極短的時間內,已成功生產 60 株對抗棘蛋白(spike protein)及 47 株對抗核衣殼(nucleocapsid) 之單株抗體,這些單株抗體對於新冠肺炎的診斷及治療將有重大助益。

這一波是求快,接下來要求好,希望未來研發準確度、靈敏度更好的診斷試劑以及安全有效之治療性抗體,以因應下一波疫情到來 。

如今在中研院裡,快篩試劑和抗體藥物等各項研發工作,正如火如荼進行。吳漢忠表示,新興傳染病出現的頻率越來越高,造成的疫情亦日趨嚴峻。未來將建全抗體平台與 P3 等級生物實驗室的編制內常駐人力,接受完整訓練,並且定期模擬演練快速研發抗體與確效之流程,以期當新興傳染病發生時,可具時效性抑制其擴散與爆發,降低疫情對國人健康與社會經濟之衝擊。

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本文轉載自中央研究院研之有物,原文為《【中研抗疫3】抗原檢測 19 天破解,原來背後有這些大平台》,泛科學為宣傳推廣執行單位

 



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關於作者

研之有物│中央研究院

研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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